Un instrument hyper-sensible, sous terre profonde en Italie, a finalement réussi la tâche presque impossible de détecter les neutrinos CNO (minuscules particules indiquant la présence de carbone, l'azote et l'oxygène) du noyau de notre soleil. Ces particules peu connues révèlent le dernier détail manquant du cycle de fusion alimentant notre soleil et d'autres étoiles.

Dans les résultats publiés le 26 novembre dans la revue La nature (et figure sur la couverture), les enquêteurs de la collaboration Borexino rapportent les premières détections de ce type rare de neutrinos, appelées « particules fantômes » car elles traversent la plupart des matières sans laisser de traces.

Les neutrinos ont été détectés par le détecteur Borexino, une énorme expérience souterraine en Italie centrale. Le projet multinational est soutenu aux États-Unis par la National Science Foundation dans le cadre d'une subvention partagée supervisée par Frank Calaprice, professeur de physique émérite à Princeton; Andréa Pocar, une ancienne diplômée de 2003 de Princeton et professeur de physique à l'Université du Massachusetts-Amherst; et Bruce Vogelaar, professeur de physique à l'Institut polytechnique de Virginie et à l'Université d'État (Virginia Tech).

La détection de « particules fantômes » confirme les prédictions des années 1930 selon lesquelles une partie de l'énergie de notre soleil est générée par une chaîne de réactions impliquant du carbone, l'azote et l'oxygène (CNO). Cette réaction produit moins de 1% de l'énergie solaire, mais on pense qu'il s'agit de la principale source d'énergie dans les étoiles plus grandes. Ce processus libère deux neutrinos, les particules élémentaires de matière les plus légères connues, ainsi que d'autres particules subatomiques et de l'énergie. Le processus plus abondant de fusion hydrogène-hélium libère également des neutrinos, mais leurs signatures spectrales sont différentes, permettant aux scientifiques de les distinguer.

"Confirmation du CNO brûlant dans notre soleil, où il ne fonctionne qu'à un niveau de 1%, renforce notre confiance que nous comprenons comment fonctionnent les étoiles, " dit Calaprice, l'un des initiateurs et chercheurs principaux de Borexino.

Les neutrinos du CNO :des fenêtres sur le soleil

Pendant une grande partie de leur vie, les étoiles obtiennent de l'énergie en fusionnant de l'hydrogène en hélium. Dans les étoiles comme notre soleil, cela se produit principalement par le biais de chaînes proton-proton. Cependant, dans des étoiles plus lourdes et plus chaudes, le carbone et l'azote catalysent la combustion de l'hydrogène et libèrent des neutrinos CNO. Trouver des neutrinos nous aide à scruter le fonctionnement au plus profond de l'intérieur du soleil; quand le détecteur Borexino a découvert des neutrinos proton-proton, la nouvelle a illuminé le monde scientifique.

Mais les neutrinos du CNO ne confirment pas seulement que le processus CNO est à l'œuvre dans le soleil, ils peuvent également aider à résoudre une importante question ouverte en physique stellaire :quelle proportion de l'intérieur du soleil est composée de « métaux, " que les astrophysiciens définissent comme tout élément plus lourd que l'hydrogène ou l'hélium, et si la « métallicité » du noyau correspond à celle de la surface ou des couches externes du soleil.

Malheureusement, les neutrinos sont extrêmement difficiles à mesurer. Plus de 400 milliards d'entre eux frappent chaque centimètre carré de la surface de la Terre chaque seconde, pourtant, pratiquement toutes ces "particules fantômes" traversent la planète entière sans interagir avec quoi que ce soit, obligeant les scientifiques à utiliser des instruments très volumineux et très soigneusement protégés pour les détecter.

Le détecteur Borexino se trouve à 800 mètres sous les Apennins dans le centre de l'Italie, aux Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS) de l'Institut national italien de physique nucléaire, où un ballon géant en nylon d'environ 30 pieds de diamètre rempli de 300 tonnes d'hydrocarbures liquides ultra-purs est maintenu dans une chambre sphérique multicouche immergée dans l'eau. Une infime fraction des neutrinos qui traversent la planète rebondira sur les électrons de ces hydrocarbures, produisant des éclairs de lumière qui peuvent être détectés par des capteurs photoniques tapissant le réservoir d'eau. La grande profondeur, la taille et la pureté font de Borexino un détecteur vraiment unique pour ce type de science.

Le projet Borexino a été initié au début des années 1990 par un groupe de physiciens dirigé par Calaprice, Gianpaolo Bellini à l'Université de Milan, et feu Raju Raghavan (alors aux Bell Labs). Au cours des 30 dernières années, des chercheurs du monde entier ont contribué à trouver la chaîne proton-proton des neutrinos et, il y a environ cinq ans, l'équipe a commencé la chasse aux neutrinos du CNO.

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"Les 30 dernières années ont consisté à supprimer le fond radioactif, ", a déclaré Calaprice.

La plupart des neutrinos détectés par Borexino sont des neutrinos proton-proton, mais quelques-uns sont reconnaissables aux neutrinos du CNO. Malheureusement, Les neutrinos du CNO ressemblent à des particules produites par la désintégration radioactive du polonium-210, un isotope s'échappant du gigantesque ballon en nylon. Séparer les neutrinos du soleil de la contamination au polonium a demandé un effort minutieux, dirigé par des scientifiques de Princeton, qui a commencé en 2014. Étant donné que le rayonnement ne pouvait pas être empêché de s'échapper du ballon, les scientifiques ont trouvé une autre solution :ignorer les signaux du bord extérieur contaminé de la sphère et protéger l'intérieur profond du ballon. Cela les obligeait à ralentir considérablement le taux de mouvement des fluides dans le ballon. La plupart des flux de fluide sont entraînés par des différences de chaleur, l'équipe américaine a donc travaillé pour obtenir un profil de température très stable pour le réservoir et les hydrocarbures, pour rendre le fluide aussi immobile que possible. La température a été précisément cartographiée par un réseau de sondes de température installé par le groupe Virginia Tech, dirigé par Vogelaar.

« Si cette motion pouvait être suffisamment réduite, on pourrait alors observer les quelque cinq reculs de faible énergie par jour attendus dus aux neutrinos du CNO, " Calaprice dit. "Pour référence, un pied cube "d'air frais" - qui est mille fois moins dense que le fluide d'hydrocarbures - connaît environ 100, 000 désintégrations radioactives par jour, principalement du gaz radon."

Pour assurer l'immobilité dans le fluide, Les scientifiques et ingénieurs de Princeton et Virginia Tech ont développé du matériel pour isoler le détecteur - essentiellement une couverture géante pour l'envelopper - en 2014 et 2015, puis ils ont ajouté trois circuits de chauffage qui maintiennent une température parfaitement stable. Ceux-ci ont réussi à contrôler la température du détecteur, mais les changements de température saisonniers dans le hall C, où se trouve Borexino, encore causé la persistance de petits courants de fluides, obscurcissant le signal CNO.

Donc deux ingénieurs de Princeton, Antonio Di Ludovico et Lidio Pietrofaccia, a travaillé avec l'ingénieur du personnel de LNGS Graziano Panella pour créer un système de traitement d'air spécial qui maintient une température de l'air stable dans le hall C. Le système de contrôle actif de la température (ATCS), développé fin 2019, a finalement produit une stabilité thermique suffisante à l'extérieur et à l'intérieur du ballon pour calmer les courants à l'intérieur du détecteur, empêcher enfin les isotopes contaminants d'être transportés des parois du ballon vers le cœur du détecteur.

L'effort a payé.

"L'élimination de ce fond radioactif a créé une région de faible fond de Borexino qui a rendu possible la mesure des neutrinos CNO, ", a déclaré Calaprice.

"Les données s'améliorent de plus en plus"

Avant la découverte des neutrinos du CNO, le laboratoire avait prévu de mettre fin aux opérations de Borexino à la fin de 2020. Maintenant, il semble que la collecte de données pourrait s'étendre jusqu'en 2021.

Le volume d'hydrocarbures immobiles au cœur du détecteur Borexino n'a cessé de croître en taille depuis février 2020, lorsque les données de la La nature papier a été collecté. Cela veut dire que, au-delà de la révélation des neutrinos du CNO qui font l'objet de cette semaine La nature article, il y a maintenant un potentiel pour aider à résoudre le problème de la "métallicité" également - la question de savoir si le noyau, les couches externes et la surface du soleil ont toutes la même concentration d'éléments plus lourds que l'hélium ou l'hydrogène.

"Nous avons continué à collecter des données, comme la pureté centrale a continué à s'améliorer, faire d'un nouveau résultat axé sur la métallicité une réelle possibilité, " a déclaré Calaprice. " Non seulement nous collectons encore des données, mais les données s'améliorent de plus en plus."